山東中西部一次長生命史超級單體雷達回波特征和觸發(fā)機制分析

朱義青，胡順起

（1.臨沂市氣象局，山東 臨沂 276004；2.喀什地區(qū)氣象局，新疆 喀什 844000）

冰雹、雷雨大風(fēng)、短時強降水和龍卷等強對流天氣大多是由局地對流風(fēng)暴產(chǎn)生的，而超級單體風(fēng)暴是局地對流風(fēng)暴中發(fā)展最為劇烈的一種。Browning[1]將超級單體定義為具有中氣旋的對流單體，此后的雷達觀測進一步證明超級單體風(fēng)暴總是與中氣旋相伴隨，即超級單體風(fēng)暴與其他強風(fēng)暴的區(qū)別在于超級單體風(fēng)暴含有一個持久深厚的中氣旋[2]。

近些年來，諸多氣象學(xué)者圍繞著超級單體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件進行了大量的分析研究[3-9]。萬夫敬等[10]對2017年8月6日山東東部地區(qū)一次罕見的極大風(fēng)速達到12～13級的雷暴大風(fēng)事件進行了分析，研究表明較大的溫度直減率和中低層強垂直風(fēng)切變?yōu)槔妆┐箫L(fēng)的出現(xiàn)提供有利環(huán)境條件，邊界層輻合線附近不斷觸發(fā)新的對流單體，最終形成颮線結(jié)構(gòu)。牛犇等[11]對十堰一次強超級單體風(fēng)暴結(jié)構(gòu)和環(huán)境場進行了分析，研究表明有利的地形條件和低層暖濕氣流產(chǎn)生的擾動促進了超級單體爆發(fā)性增強。陳曉燕等[12]對一次分裂型超級單體的回波結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件進行分析，指出維持較長時間的VIL大值，可以作為分析判斷超級單體出現(xiàn)的一個依據(jù)。高曉梅等[13]對2016年6月30日山東一次陣風(fēng)鋒觸發(fā)的強對流天氣進行了分析，指出陣風(fēng)鋒、中尺度輻合線及近地面層冷空氣的侵入使氣溫驟降是觸發(fā)對流的關(guān)鍵因素。

2016年6月14日下午一個生命史長達3 h的超級單體風(fēng)暴自西向東先后影響了濟南、淄博和濰坊等地（圖1），沿途產(chǎn)生了大范圍的災(zāi)害性大風(fēng)、冰雹和短時強降水等天氣，其生命史之長和產(chǎn)生災(zāi)害性天氣范圍之廣，較為罕見。章丘國家基本氣象站觀測到最大冰雹直徑超過2 cm，極大風(fēng)速為21.5 m/s；山東省有11個中尺度氣象站觀測到17 m/s以上的大風(fēng)，4站觀測到20 m/s以上的大風(fēng)，其中淄博龍泉站觀測到36.1 m/s的極大風(fēng)速，災(zāi)情調(diào)查發(fā)現(xiàn)多地出現(xiàn)＞2 cm的冰雹。本文利用常規(guī)觀測資料、濟南和濰坊多普勒天氣雷達資料對此次超級單體風(fēng)暴的天氣背景、雷達觀測特征進行分析，并對本次長生命史超級單體風(fēng)暴的觸發(fā)機制進行探討。

1 風(fēng)暴路徑及天氣形勢

2016年6月14日下午到傍晚一個生命史長達3 h的超級單體風(fēng)暴自山東齊河縣境內(nèi)向偏東方向移動約160 km，風(fēng)暴路徑（包括風(fēng)暴起始階段）、大風(fēng)及冰雹落區(qū)見圖1。

圖1 2016年6月14日山東中西部超級單體路徑、冰雹和大風(fēng)分布

6月12—13日500 hPa中高緯度環(huán)流形勢為兩槽一脊型，華北冷渦生成于蒙古中部并逐漸向東南方向移動，500 hPa的T-Td＞15 ℃的干區(qū)自甘肅西北部，經(jīng)過陜西北部、山西和河北南部伸至山東中西部。從2016年6月14日08時中尺度天氣分析（圖2）可以看到，850 hPa山東中西部地區(qū)位于8 g/kg的濕舌內(nèi)，925 hPa位于12 g/kg的濕舌內(nèi)，500 hPa＞20 m/s的中空急流配合干區(qū)和冷槽使中層降濕降溫，850 hPa低空急流配合著濕舌和暖脊使低層增濕增溫，500 hPa和850 hPa之間水汽和熱量的平流差異將進一步加大，層結(jié)不穩(wěn)定性顯著增強。

圖2 2016年6月14日08時中尺度天氣分析

2 強對流發(fā)生、發(fā)展的條件

假相當(dāng)位溫是反映穩(wěn)定度和濕度條件的綜合指標(biāo)，可用來分析大氣中的能量分布和垂直穩(wěn)定度[14]。14日08時，500 hPa以上有一條從西北伸向山東中西部的假相當(dāng)位溫低值舌（圖3a），舌區(qū)內(nèi)盛行西北氣流，低值舌加強東南伸。850 hPa河南東部到山東西部為一條從西南向東北伸展的高能舌（圖3b），中心值在332～336 K，高能舌區(qū)盛行西南風(fēng)，說明有暖濕氣流的輸送，有利于高能舌繼續(xù)向東北方向伸展加強。高層西北氣流輸送的干冷平流與低層西南氣流輸送的暖濕平流在山東中西部上空重疊，使山東中西部850 hPa與500 hPa之間的假相當(dāng)位溫差值達6 K，形成較強的大氣層結(jié)不穩(wěn)定度。強對流天氣產(chǎn)生在假相當(dāng)位溫高層低值舌與低層高值舌相疊加、大氣強烈對流不穩(wěn)定區(qū)域。

圖3 2016年6月14日08時500 hPa（a）和850 hPa（b）假相當(dāng)位溫分布

2016年6月14日15：16對流風(fēng)暴在山東省齊河縣境內(nèi)生成，之后向東移動進入山東淄博市。從14日08時山東章丘探空圖（圖4）可以看出，870 hPa附近有一逆溫層，逆溫層下面相對濕度＞80%，逆溫層之上相對濕度快速減小，增大了中低層水汽的濕度差異，對流有效位能僅為51 J/kg，用14時地面觀測值對08時探空曲線進行訂正后，對流有效位能為1 700 J/kg，這與閻麗鳳等[15]給出的山東西北部和中部地區(qū)產(chǎn)生強對流天氣的平均對流有效位能868 J/kg相比偏大，說明在強對流被觸發(fā)前環(huán)境大氣已經(jīng)具備了充足的不穩(wěn)定能量。850～500 hPa出現(xiàn)明顯的干區(qū)，濕度垂直分布為上干下濕，表明中層有干冷平流侵入。根據(jù)08時章丘探空資料計算的0～3 km垂直風(fēng)切變約為10 m/s，0～6 km垂直風(fēng)切變?yōu)?7 m/s，較強的深厚垂直風(fēng)切變，有利于傾斜對流的發(fā)展與維持。0 ℃層高度為4.1 km，-20 ℃層高度為7 km，850 hPa與500 hPa溫差在＞27 ℃。上干下濕的大氣層結(jié)、強的風(fēng)垂直切變、850 hPa與500 hPa溫差＞27 ℃等環(huán)境條件對強對流的發(fā)生發(fā)展有較好的指示意義，這些參數(shù)表明山東中西部附近具有較好的對流發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件。

下沉對流有效位能（CAPED）定義為：不考慮其他因素條件下，氣塊從垂直速度為0的起始點下沉到中性浮力層或地面時，負浮力做功引起的動能最大值[16]。CAPED的大小主要與環(huán)境大氣的溫濕狀況有關(guān)，CAPED的大小隨相對濕度的降低而增大，對流層中層環(huán)境大氣越干冷（有干冷空氣的侵入）則產(chǎn)生強下沉氣流的潛勢越大。對于正在做下沉運動的氣塊來說，負浮力做功引起的下沉氣流速度-wmax=，當(dāng)CAPED越大時，越有利于地面極大陣風(fēng)的出現(xiàn)[17]。6月14日08時章丘探空圖表明，大氣中層比較干（T-Td）400+（T-Td）500+（T-Td）700=48 ℃，溫度直減率γ850-500=6.3 ℃/km，該時刻CAPED高達340 J/kg，經(jīng)計算得出負浮力做功引起的下沉氣流速度達26.1 m/s，說明此次強對流過程利于產(chǎn)生較強的下沉氣流，從而利于地面出現(xiàn)強陣風(fēng)。

3 生命史演變

本次長生命史超級單體發(fā)展過程中，孤立對流云團在14日15：16在齊河縣境內(nèi)出現(xiàn)并向偏東方向移動發(fā)展，16：20在山東章丘西部發(fā)展成超級單體風(fēng)暴，此后維持超級單體風(fēng)暴強度并向偏東方向移動，17：59減弱為普通單體風(fēng)暴，18：33在山東臨朐東部減弱消亡，整個生命史為3 h 17 min。

根據(jù)本次長生命史超級單體造成的地面瞬時大風(fēng)（≥17 m/s）和短時強降水（≥20 mm/h）等強對流天氣現(xiàn)象的統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)合雷達反射率因子圖，將本次長生命史超級單體風(fēng)暴演變過程分為3個階段：（1）發(fā)展階段（15：16—16：20）；（2）成熟階段（16：20—17：59）；（3）消亡階段（17：59—18：33）。

15：16在山東齊河縣境內(nèi)開始有孤立普通單體生成，單體在向偏東方向移動過程中不斷發(fā)展加強。15：45在山東濟陽縣南部對流風(fēng)暴分裂為兩個獨立的對流風(fēng)暴，北側(cè)對流風(fēng)暴向東北方向移動，南側(cè)對流風(fēng)暴向東東南方向移動并快速發(fā)展加強。16：14對流風(fēng)暴中心達到了60 dBZ，風(fēng)暴移向右前方低層出現(xiàn)與暖濕氣流相關(guān)的入流“V”形缺口，對流風(fēng)暴逐漸呈現(xiàn)出弱回波區(qū)、回波懸垂、回波墻等超級單體風(fēng)暴的典型特征，16：20左右該對流風(fēng)暴發(fā)展成超級單體風(fēng)暴并在16：38達到最強盛階段，6.0°仰角的最大反射率因子＞65 dBZ，風(fēng)暴一直伴有明顯的旁瓣回波和三體散射特征（圖5），這些都是判斷大冰雹產(chǎn)生的指標(biāo)。此時山東章丘站觀測到21.5 m/s的極大風(fēng)速和直徑超過2 cm的冰雹。17：59前后減弱為普通對流風(fēng)暴。超級單體結(jié)構(gòu)特征包括“V”形缺口、弱回波區(qū)、中氣旋和回波懸垂共持續(xù)1 h 39 min。

圖4 2016年6月14日08時章丘站T-lnP圖（a）和14時訂正探空圖（b）

16：38（圖6），徑向速度圖上的中氣旋在0.5°仰角（1.1 km）、1.5°仰角（2.5 km）、3.4°仰角（3.7 km）、4.3°仰角（6 km）、6.0°仰角（8 km）和9.9°仰角（12 km）分別表現(xiàn)為純粹的輻合、輻合旋轉(zhuǎn)、無輻散旋轉(zhuǎn)、輻散旋轉(zhuǎn)和純粹的輻散，8 km高度距離雷達100 km處中氣旋旋轉(zhuǎn)速度＞29 m/s，12 km高度正負速度差達到57 m/s，根據(jù)中氣旋旋轉(zhuǎn)強度判據(jù)判斷為強中氣旋，這種低層輻合、中下層純粹的旋轉(zhuǎn)、中上層的輻散旋轉(zhuǎn)和風(fēng)暴頂部純粹的輻散特征反映出風(fēng)暴內(nèi)部的強旋轉(zhuǎn)上升運動，最大徑向旋轉(zhuǎn)速度的高度在5～8 km。

圖5 2016年6月14日濟南雷達1.5°仰角16：49“V”形缺口和旁瓣回波（a）、濰坊雷達1.5°仰角16：48三體散射特征（b）

圖6 2016年6月14日16：38濟南雷達0.5°仰角（a）、1.5°仰角（b）、3.4°仰角（c）、4.3°仰角（d）、6.0°仰角（e）、9.9°仰角（f）平均徑向速度

圖7b為沿低層入流方向通過“V”形缺口的反射率因子剖面圖。對流風(fēng)暴的強反射率因子從低層到高層向入流一側(cè)傾斜，與倒“V”型缺口相對應(yīng)的有界弱回波區(qū)也是自低層到高層向入流一側(cè)傾斜，有界弱回波區(qū)水平尺度約10 km。＞65 dBZ的反射率因子區(qū)為沿著有界弱回波區(qū)左側(cè)的一個豎直的狹長區(qū)域，從8 km高度一直延伸到低層。最強的區(qū)域位于其上部6 km處，最大值＞70 dBZ，回波頂接近15 km。圖7c為16：49徑向速度的垂直剖面圖，圖中最顯著的特征是7 km高度處存在明顯的中層徑向輻合，這是風(fēng)暴由前向后的強上升氣流和后側(cè)入流急流之間的過渡區(qū)，且7 km高度附近速度差達到46 m/s，中層徑向輻合特征顯著，顯著的中層徑向輻合特征對地面出現(xiàn)災(zāi)害性大風(fēng)具有重要的指示意義。

4 地面觸發(fā)機制

地面資料分析表明，在山東西北部地區(qū)形成的中尺度輻合線為對流的形成提供了觸發(fā)條件，從地面資料場可見（圖8a），14日14時前后在山東西北部一條呈西南—東北走向的中尺度輻合線，有4股氣流在山東齊河縣附近匯集（圖8b），15時前后中尺度輻合線中部山東齊河縣境內(nèi)有對流單體出現(xiàn)，隨后不斷向偏東方向擴展。分析14時地面露點溫度可以看出，在地面中尺度輻合線附近露點溫度梯度較大，存在露點鋒生，輻合線的形成在觸發(fā)對流的同時能夠?qū)α飨到y(tǒng)起到組織作用，這是促使對流風(fēng)暴發(fā)生的重要機制。14日17時（圖8c，8d）地面中尺度輻合線呈準(zhǔn)東西向分布，在章丘到臨朐一線附近存在較明顯的露點鋒生。因此地面中尺度輻合線的長時間維持是本次超級單體風(fēng)暴生命史較長的主要原因。

5 對流風(fēng)暴參數(shù)及屬性

5.1 VIL值和大冰雹

圖7 2016年6月14日16：49濟南雷達1.5°仰角反射率因子圖（a）及剖面（b）和徑向速度剖面（c）

圖8 2016年6月14日地面圖（a，b）和地面中尺度分析圖（c，d）

研究表明，垂直累積液態(tài)水含量VIL的大值區(qū)對判斷大冰雹的降雹潛勢具有較好的指示意義，根據(jù)刁秀廣等[18]統(tǒng)計的山東6月冰雹直徑≥20 mm的VIL閾值為57.5 kg/m2。此次超級單體風(fēng)暴在地面產(chǎn)生大冰雹時VIL值在59～75 kg/m2，明顯超過山東同期大冰雹的VIL閾值，持續(xù)時間長達1 h，表明出現(xiàn)大冰雹的概率非常大。

VIL與風(fēng)暴頂高度之比為VIL密度，根據(jù)刁秀廣等[18]研究指出6月山東大冰雹風(fēng)暴單體VIL密度閾值為4.5 g/m3。本個例中，降大冰雹時VIL密度在4.7～6.9 g/m3，大于山東出現(xiàn)大冰雹的閾值，災(zāi)情調(diào)查發(fā)現(xiàn)多地出現(xiàn)直徑＞2 cm的冰雹。圖9顯示本次長生命史超級單體風(fēng)暴從發(fā)展到成熟階段VIL值有明顯的躍增，VIL密度變化趨勢與VIL值變化幾乎同步。15：16，VIL值只有3 kg/m2，16：08增大到44 kg/m2，2個體掃后增大到64 kg/m2，反映出云體內(nèi)冰雹粒子快速的碰并增長，之后一直維持＞63 kg/m2。在16：31增大到最大值75 kg/m2，VIL密度也達到最大值6.9 g/m3，這時云體內(nèi)冰雹粒子已經(jīng)充分大，16：38 VIL值突然下降到65 kg/m2，表明云體內(nèi)的水汽含量急速下降，地面章丘站附近此時出現(xiàn)直徑＞2 cm的冰雹。風(fēng)暴單體在降雹前第6個體掃（16：08）到第5個體掃（16：14）之間的VIL變化比較明顯，達14 kg/m2，降雹時間基本上是在VIL達到最大值后1～2個體掃開始出現(xiàn)，這與刁秀廣等[18]的研究較一致。因此在滿足大冰雹發(fā)生發(fā)展的環(huán)境條件下，可用VIL值1個體掃明顯躍增14 kg/m2以上作為大冰雹的預(yù)警指標(biāo)，由于躍增前后時間差為1個體掃，因此可用VIL值明顯躍增提前14～20 min預(yù)警大冰雹，這也為冰雹的預(yù)警提供有價值的信息。

5.2 回波頂高及對流風(fēng)暴高度變化特征

圖9 2016年6月14日對流風(fēng)暴的最大反射率因子、VIL值及VIL密度隨時間變化

6月14日降雹期間最大反射率因子＞65 dBZ（圖10），出現(xiàn)直徑＞2 cm的大冰雹時段的對流風(fēng)暴最大反射率因子也最強。本次長生命史超級單體最大反射率因子（強中心）所在高度變化趨勢顯示，當(dāng)風(fēng)暴單體強中心高度從16：31的6.8 km降至16：38的2.9 km時，地面此時觀測到直徑＞2 cm的大冰雹，當(dāng)強中心高度從16：38的2.9 km躍升至16：43的8.1 km時，大冰雹停止。當(dāng)強中心高度從16：43的8.1 km降至16：49的2.2 km時，地面出現(xiàn)大冰雹，當(dāng)對流風(fēng)暴的高度從16：55的2.4 km上升至17：01的5.7 km時，大冰雹停止。強中心每次躍升的高度＞7.9 km，因此，冰雹發(fā)生在風(fēng)暴單體強中心高度和回波頂高下降期間。

圖10 2016年6月14日對流風(fēng)暴的單體回波頂高和單體強中心高度隨時間變化

5.3 中氣旋特征

圖11給出了中氣旋的參數(shù)演變，本次長生命史超級單體風(fēng)暴內(nèi)中氣旋維持約1 h 39 min，中氣旋頂高維持＞6 km，最高為7.8 km。中氣旋厚度在3 km以上，最大為6.9 km；出現(xiàn)冰雹時段中氣旋最大切變基本維持在5×10-3s-1以上。這些特征反映了中氣旋發(fā)展深厚旺盛，有利于對流風(fēng)暴的維持和強災(zāi)害性天氣的出現(xiàn)。

圖11 2016年6月14日對流風(fēng)暴的中氣旋底高、中氣旋頂高和最大切變隨時間變化

6 結(jié)論與討論

（1）在華北冷渦天氣背景下，中層有中空急流配合的冷槽疊加在低層低空急流配合的暖脊上，使山東中西部地區(qū)中低層之間水汽和熱量的平流差異不斷增大，低層逆溫層抑制對流，積蓄不穩(wěn)定能量，使層結(jié)不穩(wěn)定性逐漸增強，有利的環(huán)境條件利于對流的發(fā)生發(fā)展。

（2）風(fēng)暴成熟階段右前方一直存在暖濕氣流的入流槽口（“V”型缺口），風(fēng)暴一直伴隨明顯的三體散射和旁瓣回波，其長度＞40 km。垂直結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出經(jīng)典超級單體的回波結(jié)構(gòu)特征。中氣旋發(fā)展深厚旺盛且長時間維持是本次超級單體風(fēng)暴長時間維持的原因。

（3）地面露點鋒生和中尺度輻合線觸發(fā)的對流云團在深厚的垂直風(fēng)切變和較強的不穩(wěn)定層結(jié)作用下逐漸發(fā)展成超級單體風(fēng)暴，而地面中尺度輻合線長時間維持是導(dǎo)致本次超級單體風(fēng)暴生命史較長的主要原因。

（4）本次長生命史超級單體反射率因子長時間維持在60 dBZ以上，最大VIL值和VIL密度分別達75 kg/m2和6.9 g/m3，且長時間維持在59 kg/m2和4.7 g/m3以上。6月，當(dāng)最大反射率因子值達到60 dBZ，出現(xiàn)中等強度以上中氣旋且VIL值和VIL密度分別達59 kg/m2和4.7 g/m3以上時，在強對流預(yù)報業(yè)務(wù)中需要注意大冰雹的出現(xiàn)，可用VIL值明顯躍增14 kg/m2以上提前14～20 min預(yù)報冰雹。冰雹發(fā)生在風(fēng)暴單體強中心所在高度和回波頂高下降期間。

通過對此次長生命史超級單體風(fēng)暴的分析，類似華北冷渦天氣背景條件下，應(yīng)關(guān)注水汽和熱量的平流差異對風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展的影響。因此，對一些天氣形勢需要加強監(jiān)測，監(jiān)測強風(fēng)暴發(fā)生前環(huán)境的演變，以探索強風(fēng)暴發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵機制。同時，在關(guān)注天氣形勢背景，水汽和熱量條件的同時，應(yīng)關(guān)注近地面層邊界層輻合線對雷暴的觸發(fā)和加強作用，以提高臨近預(yù)報預(yù)警的準(zhǔn)確性和預(yù)報時效。